چه چیزی باعث می شود مدار شکن های خلاء داخلی به انتخاب مناسب برای سیستم های MV تبدیل شوند؟

مدار شکن خلاء داخلی چیست؟

یک قطع کننده مدار خلاء داخلی (VCB) یک وسیله کلیدزنی و حفاظتی ولتاژ متوسط است که از خلاء به عنوان رسانه خاموش کننده قوس برای قطع جریان های خطا و جداسازی مدارهای الکتریکی در تاسیسات سوئیچ سرپوشیده استفاده می کند. بر خلاف کلیدهای مدار روغنی یا قطع کننده های مدار انفجار هوا، که برای خاموش کردن قوس تشکیل شده در هنگام جدا شدن تماس ها تحت بار، به گاز مایع یا فشرده متکی هستند، یک قطع کننده مدار خلاء مجموعه تماس خود را در داخل یک پوشش شیشه ای یا سرامیکی بسیار تخلیه می کند - که معمولاً در فشار خلاء 10-3 تا 10-10-30 گاز وجود ندارد. رزق قوس پس از عبور از صفر فعلی عملاً غیرممکن است.

VCB های داخلی برای نصب در پانل های تابلو برق با روکش فلزی، واحدهای اصلی حلقه و مراکز کنترل موتور در تاسیساتی مانند پست ها، کارخانه های صنعتی، ساختمان های تجاری، مراکز داده و شبکه های توزیع برق طراحی شده اند. آنها در محدوده ولتاژ متوسط، معمولاً از 3.6 کیلو ولت تا 40.5 کیلو ولت کار می کنند و در جریان های معمولی نامی از 630 A تا 4000 A با ظرفیت های قطع اتصال کوتاه معمولاً از 16 kA تا 63 kA موجود هستند. ضریب فرم فشرده، حداقل نیازهای تعمیر و نگهداری و پاکیزگی محیطی آنها را به فناوری غالب قطع کننده مدار در کاربردهای ولتاژ متوسط ​​داخلی مدرن در سراسر جهان تبدیل کرده است.

فرآیند وقفه خلاء چگونه کار می کند

مکانیسم قطع قوس در یک قطع کننده مدار خلاء اساساً با سایر فناوری های قطع کننده متفاوت است و برای درک اینکه چرا VCB ها در طول عمر طولانی مدت عملکرد قابل اعتمادی دارند، مرکزی است. هنگامی که بریکر یک سیگنال قطع را دریافت می کند - یا از یک رله حفاظتی که جریان اضافه، خطای زمین یا شرایط دیفرانسیل را تشخیص می دهد - مکانیسم عملکرد به سرعت کنتاکت متحرک را از کنتاکت ثابت داخل بطری قطع کننده خلاء جدا می کند.

به عنوان قسمت کنتاکت ها، جریان به طور خلاصه از طریق یک قوس بخار فلزی که از تبخیر مواد تماس تشکیل شده است - معمولاً یک آلیاژ مس-کروم - به جریان می افتد. این قوس فقط تا زمانی وجود دارد که جریان جریان داشته باشد. در عبور جریان طبیعی از صفر از شکل موج AC - که 100 بار در ثانیه در 50 هرتز رخ می دهد - قوس خاموش می شود زیرا محیط خلاء نمی تواند یونیزاسیون را بدون یک محیط گاز حفظ کند. قدرت دی الکتریک شکاف خلاء تقریباً بلافاصله پس از جریان صفر بهبود می یابد و از احتراق مجدد قوس حتی در ولتاژهای بازیابی بالا جلوگیری می کند. کل رویداد وقفه، از جداسازی تماس تا خاموش شدن قوس نهایی، معمولاً کمتر از یک نیم چرخه - زیر 10 میلی ثانیه - طول می‌کشد و قطع کننده‌های مدار خلاء را در میان سریع‌ترین دستگاه‌های حفاظتی در دسترس قرار می‌دهد.

اجزای کلیدی مدار شکن خلاء داخلی

درک ساختار داخلی یک VCB داخلی به مهندسان و پرسنل تعمیر و نگهداری کمک می کند تا درک کنند که چگونه هر جزء به عملکرد کلی و طول عمر کمک می کند.

قطع کننده خلاء

قطع کننده خلاء یک پاکت مهر و موم شده حاوی جفت تماس است. این از شیشه های سرامیکی یا بوروسیلیکات با آلومینا بالا ساخته شده است تا یکپارچگی خلاء را در طول چندین دهه کار حفظ کند. کنتاکت های داخل از آلیاژ مس-کروم (CuCr) ساخته شده اند که تعادل مطلوبی از هدایت الکتریکی، مقاومت در برابر فرسایش قوس الکتریکی و ویژگی های جریان خرد شدن کم را ارائه می دهد. هندسه تماس - اغلب یک شیار مارپیچ یا طرح فنجانی شکل - یک میدان مغناطیسی عرضی ایجاد می کند که قوس را به حالت پراکنده و چرخشی هدایت می کند تا اینکه به آن اجازه دهد در یک نقطه ثابت متمرکز شود، که باعث فرسایش تماس سریع و کاهش قابلیت وقفه می شود.

مکانیزم عملیاتی

مکانیسم عملیاتی انرژی مکانیکی مورد نیاز برای باز و بسته کردن کنتاکت ها را با سرعت و نیروی مورد نیاز برای قطع و ساخت مطمئن فراهم می کند. سه نوع مکانیزم رایج است: مکانیزم های فنری شارژ شده انرژی را در یک فنر بسته شدن از قبل شارژ شده ذخیره می کنند و یک فنر سفر جداگانه که توسط محرک های برقی به دستور آزاد می شود. مکانیزم‌های محرک مغناطیسی از یک آهنربای دائمی برای نگه‌داشتن تماس‌ها در موقعیت‌های باز و بسته استفاده می‌کنند، با یک پالس کوتاه جریان که فقط برای تغییر حالت لازم است و عمر مکانیکی بسیار طولانی را ارائه می‌دهد. و مکانیزم های فنر موتوری پس از هر عملیات به طور خودکار شارژ می شوند و اطمینان حاصل می کنند که شکن همیشه برای چرخه سوئیچ بعدی بدون دخالت دستی آماده است.

ساختار پشتیبانی عایق

سه قطع کننده خلاء - یکی در هر فاز - در یک چارچوب عایق ساخته شده از رزین اپوکسی یا پلیمر تقویت شده با الیاف شیشه پشتیبانی می شوند. این ساختار عایق فاز به فاز و فاز به زمین، استحکام مکانیکی تحت نیروهای الکترومغناطیسی در هنگام قطع جریان خطا و مقاومت در برابر رطوبت و ردیابی سطح را فراهم می کند. در VCB های نوع کشش، کل ماژول شکن بر روی شاسی نصب می شود که می تواند به داخل یا خارج از پانل تابلو برق روی ریل های راهنما بغلتد و امکان جداسازی ایمن را برای بازرسی و نگهداری بدون جدا کردن شینه ها فراهم کند.

رتبه بندی استاندارد و مشخصات فنی

کلیدهای مدار خلاء داخلی با استانداردهای بین المللی دقیق ساخته و آزمایش می شوند - در درجه اول IEC 62271-100 برای قطع کننده های مدار AC و ANSI/IEEE C37.04 برای بازارهای آمریکای شمالی. جدول زیر محدوده های رتبه بندی معمولی را که در مشخصات VCB داخلی مشاهده می شود، خلاصه می کند:

تمایز بین کلاس‌های استقامت مکانیکی M1 و M2، و بین کلاس‌های استقامت الکتریکی E1 و E2، برای کاربردهایی که شامل عملیات سوئیچینگ مکرر هستند - مانند سوئیچینگ بانک خازن، راه‌اندازی موتور، یا کنترل کوره قوس الکتریکی - که در آن یک کلاس استقامت بالاتر مستقیماً به عمر تماس طولانی‌تر و کاهش فواصل نگهداری تبدیل می‌شود، مهم است.

مزایای مدار شکن های خلاء داخلی نسبت به فناوری های جایگزین

استفاده گسترده از قطع کننده های مدار خلاء در کاربردهای ولتاژ متوسط داخلی در چهار دهه گذشته نتیجه مزایای فنی واقعی نسبت به قطع کننده های مدار گاز SF6، قطع کننده های مدار حداقل روغن و قطع کننده های مدار انفجار هوا است که آنها تا حد زیادی جایگزین شده اند.

• بدون گاز SF6: برخلاف کلیدهای مدار SF6 که از هگزا فلوراید گوگرد استفاده می کنند - یک گاز گلخانه ای قوی با پتانسیل گرمایش جهانی 23900 برابر بیشتر از CO2 - VCB های داخلی به هیچ ماده عایق سمی یا خطرناک برای محیط زیست نیاز ندارند. این امر الزامات حمل و نقل گاز، تعهدات نظارت بر نشت، و نگرانی‌های مربوط به دفع پایان عمر را که باعث فشار نظارتی بر تجهیزات SF6 در سراسر اروپا و جهان می‌شود، حذف می‌کند.
• حداقل نگهداری: قطع کننده خلاء یک واحد مستقل مهر و موم شده و بدون مایعات مصرفی، فیلتر یا شارژ گاز برای دوباره پر کردن است. کنتاکت های مس-کروم در یک قطع کننده کلاس E2 در طول عمر استقامت الکتریکی نامی نیازی به تعویض ندارند، که معمولاً مربوط به 30 سال یا بیشتر خدمات در کاربردهای توزیع عادی است.
• ابعاد فشرده: قطع کننده خلاء به بازیابی دی الکتریک کامل در یک شکاف 8 تا 12 میلی متری برای ولتاژ 12 کیلو ولت، در مقایسه با سفر تماس بسیار بزرگتر مورد نیاز در قطع کننده های هوا یا روغن، دست می یابد. این به VCB ها اجازه می دهد تا در ماژول های جمع و جور کشیده شوند که در عمق پانل تابلو برق استاندارد 600 میلی متر یا کمتر قرار می گیرند.
• ایمنی عملیاتی بالا: قطع کننده های خلاء به گونه ای طراحی شده اند که از کار بیفتند - اگر یکپارچگی خلاء به دلیل نقص یا آسیب تولید از بین برود، قطع کننده به جای اینکه به طور فاجعه بار از کار بیفتد، به حالت قطع هوا تبدیل می شود. علاوه بر این، VCB ها در حین کار هیچ شعله، گاز داغ یا اسپری روغن تولید نمی کنند، و به طور ذاتی آنها را برای نصب در داخل ساختمان در ساختمان های اشغالی ایمن تر می کند.
• عملکرد سریع و مداوم: زمان کار یک VCB مکانیزم فنری در محدوده دمای عملیاتی و بیش از هزاران عملیات بسیار سازگار است، با زمان باز شدن تماس معمولاً بین 25 میلی‌ثانیه تا 50 میلی‌ثانیه از سیگنال سفر تا جداسازی تماس کامل. این سازگاری هماهنگی رله حفاظتی را ساده می کند و زمان پاکسازی قابل پیش بینی را در شرایط خطا تضمین می کند.

کاربردهای معمولی مدار شکن های خلاء داخلی

VCB های داخلی به عنوان حفاظت اولیه و دستگاه سوئیچینگ در طیف گسترده ای از کاربردهای ولتاژ متوسط عمل می کنند، که هر کدام از آنها خواسته های متفاوتی را از نظر فرکانس سوئیچینگ، نوع بار و میزان جریان خطا به شکن می دهند.

پست های توزیع اولیه و ثانویه

در پست‌های توزیع برق و صنعتی، VCB‌های داخلی در تابلو برق با روکش فلزی به‌عنوان بریکر فیدر ورودی، قطع‌کننده باس کوپلر و بریدر فیدر خروجی نصب می‌شوند. آنها حفاظت از خطا را هماهنگ با دستگاه‌های حفاظتی بالادست و پایین دست ارائه می‌کنند، و امکان پاکسازی گسل انتخابی را فراهم می‌کنند که تنها بخش معیوب را ایزوله می‌کند و در عین حال تداوم عرضه را به فیدرهای بی‌تأثیر حفظ می‌کند. این بریکرها با ولتاژ 12 کیلوولت یا 24 کیلو ولت با جریان های شکست 25 تا 40 کیلو آمپر، باید قابلیت اطمینان بالا را با پاسخ سریع سفر ترکیب کنند تا انرژی خطا را محدود کرده و آسیب تجهیزات را به حداقل برسانند.

راه اندازی و حفاظت موتور

موتورهای ولتاژ متوسط بزرگ - معمولاً بالای 1 مگاوات - برای راه اندازی، حفاظت در حال کار و خاموش شدن اضطراری به یک مدارشکن اختصاصی خلاء نیاز دارند. VCBهای فیدر موتور باید جریانهای هجومی بالایی را در هنگام راه اندازی مستقیم روی خط تحمل کنند، که می تواند به 6 تا 8 برابر جریان بار کامل برسد، بدون اینکه مزاحمتی ایجاد شود. آنها همچنین باید به سیگنال های رله حفاظتی برای اضافه بار حرارتی، روتور قفل شده، عدم تعادل فاز و شرایط خطای زمین در عرض میلی ثانیه پاسخ دهند تا از آسیب سیم پیچ موتور جلوگیری شود. استقامت مکانیکی کلاس M2 معمولاً برای وظیفه سوئیچینگ موتور به دلیل دوچرخه‌سواری مکرر استارت و توقف مشخص می‌شود.

حفاظت از فیدر ترانسفورماتور

VCBهای تغذیه کننده ترانسفورماتور از ترانسفورماتورهای توزیع ولتاژ متوسط تا ولتاژ پایین در برابر خطاهای خارجی، خطاهای سیم پیچ داخلی شناسایی شده توسط بوخهولز یا رله های دیفرانسیل و شرایط دمای بیش از حد محافظت می کنند. آنها موظفند جریان مغناطیسی هجومی بالایی را که هنگام روشن شدن ترانسفورماتور جریان می‌یابد - که می‌تواند به 8 تا 12 برابر جریان نامی برسد - بدون عملکرد نادرست ایجاد کرده و قطع کنند، که نیاز به هماهنگی دقیق تنظیمات مهار هجومی رله حفاظتی با ویژگی‌های عملکردی بریکر دارد.

سوئیچینگ بانک خازن

تعویض بانک های خازن برای تصحیح ضریب توان، جریان های هجومی گذرا با فرکانس بالا و ولتاژهای بازیابی گذرا ایجاد می کند که به شدت به تماس های مدار شکن و عایق فشار وارد می کند. VCBهایی که برای سوئیچینگ خازن استفاده می شوند باید به طور خاص برای این کلاس وظیفه رتبه بندی و آزمایش شوند - C1 (احتمال باز زدن مجدد) یا C2 (احتمال مجدد بسیار کم) تحت استاندارد IEC 62271-100 تعیین شده است. VCBهای سوئیچینگ خازن دارای مواد تماس و هندسه های شکاف هستند که به طور خاص برای به حداقل رساندن احتمال حمله مجدد بهینه شده اند، که می تواند باعث اضافه ولتاژهای خطرناک در سراسر شبکه متصل شود.

تست یکپارچگی خلاء و روش‌های نگهداری

اگرچه VCB های داخلی به تعمیر و نگهداری معمولی بسیار کمتری نسبت به همتایان نفت یا گاز خود نیاز دارند، ارزیابی وضعیت دوره ای هنوز برای تایید ادامه عملکرد قابل اعتماد در طول عمر مورد انتظار 25 تا 30 ساله تجهیزات ضروری است.

• تست یکپارچگی خلاء: یک آزمایش مقاومت AC یا DC با پتانسیل بالا (hi-pot) که در تماس های باز هر قطع کننده خلاء اعمال می شود، تأیید می کند که سطح خلاء برای ارائه استحکام دی الکتریک کافی کافی است. خراب شدن خلاء در برابر ولتاژ تست مقاومت نمی کند و این نشان می دهد که قبل از بازگرداندن قطع کننده به سرویس، قطع کننده باید تعویض شود.
• اندازه گیری فرسایش تماسی: هر عملیات سوئیچینگ مقدار کمی از مواد تماس را فرسایش می دهد. بیشتر طرح‌های VCB شامل یک نشانگر مکانیکی - یک نشانگر طول ضربه قابل مشاهده یا یک نشانگر سایش در اتصال سفر تماس - است که مواد تماس باقی‌مانده را نشان می‌دهد. هنگامی که نشانگر به آستانه جایگزینی می رسد، قطع کننده خلاء باید تغییر کند، حتی اگر تست یکپارچگی خلاء رد شود.
• روغن کاری مکانیزم و بررسی زمان بندی: اتصالات مکانیسم عملیاتی، اجزای چفت و مجموعه فنر بسته شدن نیاز به روانکاری دوره ای با گریس مناسب دارند تا از افزایش اصطکاک جلوگیری شود که می تواند زمان عملیات را کاهش دهد و باعث انحراف زمان بندی حفاظت شود. اندازه‌گیری‌های زمان‌بندی تماس با استفاده از یک آنالایزر قطع کننده مدار تأیید می‌کند که زمان باز و بسته شدن در محدوده تحمل‌های مشخص شده سازنده باقی می‌ماند.
• تست مقاومت عایق: آزمایش مگگر عایق مدار اصلی و عایق سیم‌کشی کنترل، ورود رطوبت، آلودگی سطح یا تخریب عایق را تشخیص می‌دهد که می‌تواند منجر به ردیابی یا فلاش اوور در شرایط ولتاژ کار شود.

معیارهای انتخاب هنگام تعیین مدار شکن خلاء داخلی

انتخاب صحیح VCB داخلی برای یک کاربرد خاص نیاز به ارزیابی سیستماتیک پارامترهای سیستم الکتریکی، مشخصات بار، تابلویی که در آن نصب خواهد شد و استانداردهای قابل اجرا دارد. معیارهای زیر باید قبل از نهایی کردن مشخصات تأیید شوند:

• ولتاژ سیستم و سطح عایق: ولتاژ نامی باید با ولتاژ اسمی سیستم مطابقت داشته باشد، و ولتاژ مقاومتی فرکانس توان نامی و ولتاژ مقاومت ضربه ای صاعقه (BIL) باید الزامات هماهنگی عایق محل نصب را برآورده کند یا از آن فراتر رود.
• جریان اتصال کوتاه احتمالی: جریان قطع نامی اتصال کوتاه قطع کننده باید از حداکثر جریان خطای احتمالی در نقطه نصب تجاوز کند که از امپدانس ترانسفورماتور بالادست و پیکربندی شبکه محاسبه می شود، با حاشیه ایمنی مناسب برای تقویت شبکه در آینده.
• سازگاری با کلید: VCBهای کششی باید از نظر ابعادی و الکتریکی با طراحی پانل تابلو برق خاص سازگار باشند - از جمله پایه اتصال دوشاخه ثانویه، رابط مکانیزم قفسه بندی، و جریان شینه نامی پانل و قابلیت مقاومت در برابر اتصال کوتاه.
• ولتاژ کنترل و منبع کمکی: سیم پیچ بسته شدن، سیم پیچ شنت تریپ و مدار شارژ موتور باید با ولتاژ منبع تغذیه کنترل موجود - معمولاً 110 ولت DC، 220 ولت DC یا 230 ولت AC - سازگار باشند تا از عملکرد قابل اعتماد باتری پست یا سیستم UPS در شرایط خرابی که ممکن است منبع AC در دسترس نباشد، اطمینان حاصل شود.
• الزامات کلاس وظیفه ویژه: برنامه‌های مربوط به سوئیچینگ بانک خازن، سوئیچینگ راکتور یا راه‌اندازی مکرر موتور نیاز به تأیید صریح کلاس وظیفه دارند - C1/C2 برای خازن‌ها، L1 برای راکتورها - فراتر از رتبه‌بندی استاندارد وقفه، زیرا این وظایف بازیابی دی‌الکتریک خاصی را تحمیل می‌کنند و فشار تماسی را تحمیل می‌کنند که آزمایش نوع استاندارد آن را پوشش نمی‌دهد..